基于新VCO结构实现地相位噪声和宽调谐范围的设计

作者：李奎利，文光俊，蔡竞业，王永平，曾隆月

1 引言

虽然近年来通信技术得到了前所未有的发展，但是人们在通信技术不断发展的同时，对各个通信系统的性能要求也日益提高，以至于现存的通信系统仍然需要发展，需要科技工作者不断解决更加苛刻的技术难题。在众多技术难题中，如何实现高性能的单片全集成射频压 控振荡器仍然是最具挑战性的技术难题。

随着无线通信的不断发展，频率资源越来越成为稀缺而珍贵的资源。为了使得无线通信 系统能够充分地利用频率资源，并且能够在信号微弱以及临近信道信号干扰强的恶劣条件实 现高性能的通信，各种无线通信系统在射频前端普遍地采用频率合成器技术。 高性能的频率合成器通常采用锁相环技术实现。锁相环通用方框图如图1所示：

图1 基于锁相环的频综系统方框图

在上述频率合成系统中，反馈环路将使输出频频为参考频率的N/N+1 倍，如果这个参考频 率采用稳定的低频石英晶体振荡器实现，那么该频率合成器系统输出频率的稳定性将取决于 环路中压控振荡器的相位噪声特性。为了确保压控振荡器具有低的相位噪声，通常采用 LC-tank 结构构成高性能的压控振荡器。虽然在新的世纪里，对低相位噪声VCO 的研究 取得令人瞩目的成就，但是高性能单片集成的射频VCO 芯片的设计仍然是一项十分艰巨的 任务。本文将基于一种新的VCO结构，采用有效的方法该降低该VCO 的相位噪声，从而得到 高性能的VCO。

2 VCO 电路的设计

根据众所周知的Lee 相位噪声模型，为了得到尽可能低的相位噪声，谐振电路的品 质因数必须尽可能的大。由于基于当前的工艺技术实现高品质因数的电感很困难，从而导致 基于当前的工艺技术实现高品质因数的谐振电路也很困难。所以，为了得到尽可能的低的相 位噪声，在给定工艺条件下，必须采用工艺允许的品质因数最高的电感来实现高品质因数的 谐振电路，同时，还必须考虑其它相位噪声降低技术。

根据Hajimiri 提出的线性时变相位噪声理论模型，由周期性准稳态噪声电流所引起 的相位噪声可以表示为：

NMOS 器件，将使得VCO 的性能得到显著的改善。采用该结构的VCO 便是PMOS-HBT 交叉耦合互补结构的VCO。由于降低1/f 噪声对相位噪声的影响，所以该结构能得到较好的 相位噪声特性。因此，本文将采用如图2 所示的PMOS-HBT 交叉耦合互补振荡器结构。

在上述结构中，变容二极管（G0，G1），开关对（NM0 和NM1，NM3 和NM4），电感（L0，L1） 以及有源器件的寄生电容，共同构成压控振荡器的谐振电路，而PMOS（PM0，PM1） HBT（Q0，Q1）交叉耦合互补结构产生负阻，为电路补充因谐振电路的损耗而消耗掉的能量， 从而维持电路持续振荡。为了实现电路的全集成，并能够得到尽可能高的品质因数，电感 （L0，L1）采用片上螺旋电感。因为电路要实现宽调谐范围，所以采用调谐范围比较宽，品质 因数很高的MOS 变容二极管作为调谐电容。开关对（NM0 和NM1，NM3 和NM4）通过控制位 （B0，B1）来控制开关的关和开，从而实现数字调谐，这样不仅能够展宽调谐范围，同时还能 够保证调谐增益具有相对较好的线性度。调谐增益的线性度越好，控制电压链路的噪声 对输出相位噪声的干扰也就越小。

3 验证结果

基于TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS 工艺，并采用高性能电路仿真软件Cadence SpectreRF 实现设计。对电路进行设计时，首先设计谐振电路，考虑到有源器件的寄生电容效应，以及 工艺的偏差和温度补偿，所设计的谐振电路的谐振频率应该高于调谐带宽的最高频率。在设 计电路时，直流偏置电流应使该VCO 工作在流控区域，这样可以降低电路的输出相位噪声 。为了进一步降低相位噪声，PMOS 和HBT 的器件参数进行优化调整，使VCO 电路输 出信号保持良好的对称性。通过Cadence SpectreRF 仿真器仿真的输出频率结果如图3 所示。

在0 到3V 的调谐电压范围内，该VCO 电路的输出频率范围为4.78GHz 到5.244GHz， 调谐带宽为444MHz。在4.78GHz 到5.244GHz 的频率范围内对相位噪声的仿真结果如图 4 所示。在4.78GHz 到5.244GHz 的调谐范围内，在频偏100KHz 时，输出相位噪声的范 围为-99.16dBc/Hz 到-101.4dBc/Hz。该VCO 电路的性能总结如表1 所示。

4 总结

现代SiGe BiCMOS 工艺不仅提供了用于实现高集成度的CMOS 工艺，而且也提供了 噪声特性优异的HBT 工艺，使制作高兴能射频集成电路成为可能。本论文基于TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS 工艺，采用PMOS-HBT 交叉耦合互补结构实现了调谐带宽为444MHz， 频偏100KHz 时，最好相位噪声-100dBc/Hz 的VCO。

本文创新点：当前流行的RFIC VCO 设计结构是PMOS-NMOS 交叉耦合互补结构，虽然该 结构具有较好相位噪声特性，但是NMOS 器件的闪烁噪声特性非常差，限制了相位噪声 进一步降低。本文充分利用BiCMOS 工艺的优势，采用PMOS-HBT 交叉耦合互补结构，同 时采用电容阵列调谐技术，在保证VCO 具有较低相位噪声的同时，尽可能的展宽调谐频 率的范围，实现地相位噪声和宽调谐范围的VCO 设计。

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